(57)【要約】【課題】  軸受径を最小限に抑えながら、回転軸の支持を良好に行うことができるガス軸受、ガス軸受を用いた軸受装置、圧縮機、及びガス軸受の動作制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】  圧縮機を、ケーシングに対して、ガス軸受１１を介して回転軸３を軸線回りの回転を許容した状態にして支持する構成とする。ガス軸受１１を、回転軸３が挿通される軸受本体１２を有し、この軸受本体１２の上部には、軸受本体１２内の作動ガスを外部に排出する排出口１３が設けられた構成とする。【選択図】      図２
2005121036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受本体と該軸受本体に挿通される回転軸との間に気体層を形成することで前記回転軸のラジアル方向の支持を行うガス軸受であって、
前記軸受本体には、該軸受本体内の気体を上部から外部に排出する排出口が設けられていることを特徴とするガス軸受。
【請求項２】
前記軸受本体の内面は、前記排出口の近傍が、他の領域に比べて径方向内側に突出する突出部とされていることを特徴とする請求項１記載のガス軸受。
【請求項３】
前記軸受本体の内面の上部が、前記排出口を有しかつ上下方向に移動可能な昇降部材によって構成されており、
前記軸受本体には、前記昇降部材を昇降させる昇降装置が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス軸受。
【請求項４】
前記排気口には、該排気口からの前記気体の排出量の制御を行う弁が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス軸受。
【請求項５】
請求項３に記載のガス軸受を用いて回転軸の支持を行う軸受装置であって、
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、
該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記昇降装置の動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする軸受装置。
【請求項６】
請求項４に記載のガス軸受を用いて回転軸の支持を行う軸受装置であって、
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、
該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記弁の開閉動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする軸受装置。
【請求項７】
ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって
前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項１から４のいずれかに記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項８】
ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、
前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項３に記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されており、
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、
該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記昇降装置の昇降動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする圧縮機。
【請求項９】
ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、
前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項４に記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されており、
前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、
該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記弁の開閉動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする圧縮機。
【請求項１０】
軸受本体と該軸受本体に挿通される回転軸との間に気体層を形成することで、前記軸受本体と前記回転軸との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で回転軸の支持を行うガス軸受の動作制御方法であって、
前記ガス軸受として、前記軸受本体の内面の上部が、該軸受本体内の気体を上部から外部に排出する排出口を有しかつ上下方向に移動可能な昇降部材によって構成され、該昇降部材を昇降させる昇降装置が設けられたガス軸受を用いて、
前記回転軸の回転速度が、予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、前記昇降装置を操作して前記昇降部材を下降させて前記回転軸に近接させ、
前記回転軸の回転速度が前記基準回転速度以上である場合には、前記昇降装置を操作して前記昇降部材を上昇させて前記回転軸から離間させることを特徴とするガス軸受の動作制御方法。
【請求項１１】
軸受本体と該軸受本体に挿通される回転軸との間に気体層を形成することで、前記軸受本体と前記回転軸との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で回転軸の支持を行うガス軸受の動作制御方法であって、
前記軸受本体に、該軸受本体内の気体を上部から外部に排出する排出口が設けられたガス軸受を用いて、
前記回転軸の回転速度が、予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、前記排気口から前記軸受本体内の気体を排出させ、
前記回転軸の回転速度が前記基準回転速度以上である場合には、前記排気口からの前記軸受本体内の気体の排出を停止させるか、または排出量を低減させることを特徴とするガス軸受の動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス軸受、ガス軸受を用いた軸受装置、圧縮機、及びガス軸受の動作制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス軸受は、回転軸が挿通される軸受本体を有し、この軸受本体と回転軸との間に気体層を形成して、軸受本体と回転軸との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で、回転軸の支持を行うものである。
ここで、気体層は、軸受本体外から供給されたガスや周辺雰囲気が、回転軸の回転に伴って回転軸の周囲に巻き込まれることで、回転軸の全周にわたって形成される。
このようなガス軸受としては、例えば、後記の特許文献１に記載されているようなガス軸受がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３１８１８４号公報（段落［００１０］，及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ガス軸受は、気体によって流体潤滑を行うものであるので、液体によって流体潤滑を行う油軸受よりも負荷能力が低い。特に、回転軸が静止状態から回転し始める際など、回転軸の回転速度が低い場合には、回転軸と軸受本体との間に気体が回り込みにくいので、この傾向はより顕著となる。
このため、回転軸の回転速度が低い場合にも軸受本体の損傷が生じないように、ガス軸受には、定格速度で回転する回転軸を支持するのに要求される負荷能力よりもさらに大きな負荷能力が求められる。そして、負荷能力を大きくするためには、軸受径を大きくする必要がある。
すなわち、ガス軸受は、同等の負荷能力を有する油軸受に比べて大型となってしまう。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、軸受径を最小限に抑えながら、回転軸の支持を良好に行うことができるガス軸受、ガス軸受を用いた軸受装置、圧縮機、及びガス軸受の動作制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明にかかるガス軸受は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガス軸受は、回転軸が挿通される軸受本体と前記回転軸との間に気体層を形成することで前記回転軸のラジアル方向の支持を行うガス軸受であって、前記軸受本体の上部には、該軸受本体内の気体を外部に排出する排出口が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
このように構成されるガス軸受は、軸受本体において回転軸の上方位置に設けられた排出口を通じて、軸受本体内の気体が排出される。
これにより、軸受本体内の、回転軸の上方の領域と下方の領域との間（排出口の近傍とそれ以外の領域との間）で圧力差が生じ、この圧力差によって回転軸が吸い上げられる（または押し上げられる）。
このガス軸受では、このように回転軸を持ち上げる力が発生するために、軸受本体が回転軸から受ける面圧が少なくなる。
【０００８】
また、本発明にかかるガス軸受は、請求項１記載のガス軸受であって、前記軸受本体の内面は、前記排出口の近傍が、他の領域に比べて径方向内側に突出する突出部とされていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成されるガス軸受は、軸受本体の内面のうち、排出口近傍が突出部とされていて、他の領域に比べて回転軸との間の距離が狭められているので、軸受本体内で、他の領域と突出部との境界では、気体の流れが絞られる。
このため、軸受本体内の、突出部近傍の領域と他の領域との間（すなわち、回転軸の上方の領域と下方の領域との間）に、確実に差圧を生じさせることができる。また、この構成によって、回転軸の上方の領域と下方の領域との間に生じる差圧がより大きくなり、回転軸を持ち上げる力がより大きくなる。
【００１０】
また、本発明にかかるガス軸受は、請求項１または２に記載のガス軸受であって、前記軸受本体は、その上部が、前記排出口を有しかつ上下方向に移動可能な昇降部材によって構成されており、前記軸受本体には、前記昇降部材を昇降させる昇降装置が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
このように構成されるガス軸受は、昇降装置によって昇降部材を昇降させることで、昇降部材と回転軸との間に形成される空間の大きさを調整することができる。
例えば、昇降部材を下降させて回転軸に近接させることで、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が小さくなるので、軸受本体内の、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との境界で、気体の流れが絞られる。すなわち、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなり、回転軸を持ち上げる力が大きくなる。
一方、昇降部材を上昇させて回転軸から離間させることで、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が大きくなるので、軸受本体内の、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との境界で、気体の流れが絞られなくなるか、または絞り量が小さくなる。すなわち、軸受本体内で、昇降部材の近傍とそれ以外の領域との間で生じる差圧が小さくなり、回転軸を持ち上げる力が小さくなる。
【００１２】
これにより、回転軸が静止している状態から回転し始める際や回転軸が低速で回転している場合など、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいない場合には、昇降部材を下降させることで、回転軸を持ち上げる力を大きくして、軸受本体が回転軸から受ける面圧を低減することができる。
一方、回転軸が高速で回転していて、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいる場合には、昇降部材を上昇させることで、回転軸を持ち上げる力を小さくして、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面（昇降部材下面）に接触してしまうことを防止することができる。
【００１３】
本発明にかかるガス軸受は、請求項１から３のいずれかに記載のガス軸受であって、前記排気口には、気体の流通量の制御を行う弁が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
このように構成されるガス軸受は、弁を操作して排気口を通じた気体の流通量を調整することで、軸受本体内で、回転軸の上方の領域と下方の領域との間（排出口の近傍とそれ以外の領域との間）で生じる圧力差を調節することができる。
例えば、弁を開いて排気口を流通する気体の流通量を確保することで、回転軸の上方の領域の内圧を低減することができる。すなわち、回転軸の上方の領域と下方の領域との間の差圧を大きくして、回転軸を持ち上げる力を大きくすることができる。
また、弁を閉じて排気口を流通する気体の流通量を低減、または流通を遮断することで、回転軸の上方の領域の内圧低下を抑制することができる。すなわち、回転軸の上方の領域と下方の領域との間の差圧を小さくするかまたはなくして、回転軸を持ち上げる力を小さくするかまたはなくすことができる。
【００１５】
ここで、この弁は、開状態と閉状態のどちらか一方の状態のみ取りうる構成であってもよい。
また、この弁は、開度を連続的または段階的に調整可能な構成としてもよい。この場合には、弁の開度を調整することで、排気口における気体の流通量を適宜調整して、回転軸を持ち上げる力を最適な大きさにすることができる。
【００１６】
本発明にかかる軸受装置は、請求項３に記載のガス軸受を用いて回転軸の支持を行う軸受装置であって、前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記昇降装置の動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする。
【００１７】
このように構成される軸受装置では、ガス軸受に支持される回転軸の回転速度が、回転速度検出装置によって検出される。
このように検出された回転軸の回転速度に基づいて、制御装置による昇降装置の昇降動作の制御が行われる。
具体的には、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、制御装置は、昇降装置を動作させて、昇降部材を下降させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が小さくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が大きくなって、軸受本体に加わる面圧が低減される。
一方、回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合には、制御装置は、昇降装置を動作させて、昇降部材を上昇させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が大きくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が小さくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面（昇降部材下面）に接触してしまうことを防止することができる。
【００１８】
本発明にかかる軸受装置は、請求項４に記載のガス軸受を用いて回転軸の支持を行う軸受装置であって、前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記弁の開閉動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする。
【００１９】
このように構成される軸受装置では、ガス軸受に支持される回転軸の回転速度が、回転速度検出装置によって検出される。
このように検出された回転軸の回転速度に基づいて、制御装置による弁の開閉動作の制御が行われる。
具体的には、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合（すなわち、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいない場合）には、制御装置は、弁を開放して、軸受本体の上部に設けられた排気口から回転軸の上方より空気を排出させる。
すると、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力を大きくして、軸受本体が回転軸から受ける面圧を低減することができる。
一方、前記回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合（すなわち、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいる場合）には、制御装置は、弁を閉じて排気口からの気体の排出を停止させるか、または排出量を低減させることで、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧を小さくする。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面に接触してしまうことが防止される。
【００２０】
本発明にかかる圧縮機は、ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項１から４のいずれかに記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されていることを特徴とする。
【００２１】
このように構成される圧縮機では、回転軸が請求項１から４のいずれかに記載のガス軸受によって支持されている。すなわち、軸受本体が回転軸から受ける面圧が小さいガス軸受を用いているので、従来のガス軸受よりも小型のガス軸受を採用することができる。
【００２２】
本発明にかかる圧縮機は、ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項３に記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されており、前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記昇降装置の昇降動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする。
【００２３】
このように構成される圧縮機では、ガス軸受に支持される回転軸の回転速度が、回転速度検出装置によって検出される。
このように検出された回転軸の回転速度に基づいて、制御装置による昇降装置の昇降動作の制御が行われる。
具体的には、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、制御装置は、昇降装置を動作させて、昇降部材を下降させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が小さくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が大きくなって、軸受本体に加わる面圧が低減される。
一方、回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合には、制御装置は、昇降装置を動作させて、昇降部材を上昇させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が大きくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が小さくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面（昇降部材下面）に接触してしまうことを防止することができる。
【００２４】
本発明にかかる圧縮機は、ケーシング内に設けられた羽根車を駆動装置によって回転駆動することで、前記ケーシング内に取り入れた気体を前記羽根車によって圧縮して送出する圧縮機であって、前記羽根車と前記駆動装置の出力軸とを接続する回転軸が、請求項４に記載のガス軸受を介して、前記ケーシングに支持されており、前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出装置と、該回転速度検出装置によって検出された前記回転軸の回転速度に基づいて、前記弁の開閉動作を制御する制御装置とを有していることを特徴とする。
【００２５】
このように構成される圧縮機では、ガス軸受に支持される回転軸の回転速度が、回転速度検出装置によって検出される。
このように検出された回転軸の回転速度に基づいて、制御装置による弁の開閉動作の制御が行われる。
具体的には、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合（すなわち、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいない場合）には、制御装置は、弁を開放して、軸受本体の上部に設けられた排気口から回転軸の上方より空気を排出させる。
すると、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力を大きくして、軸受本体が回転軸から受ける面圧を低減することができる。
一方、前記回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合（すなわち、回転軸の周囲に気体が十分に回り込んでいる場合）には、制御装置は、弁を閉じて排気口からの気体の排出を停止させるか、または排出量を低減させることで、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧を小さくする。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面に接触してしまうことが防止される。
【００２６】
本発明にかかるガス軸受の動作制御方法は、軸受本体と該軸受本体に挿通される回転軸との間に気体層を形成することで、前記軸受本体と前記回転軸との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で回転軸の支持を行うガス軸受の動作制御方法であって、前記軸受本体に、該軸受本体内の気体を上部から外部に排出する排出口が設けられたガス軸受を用いて、前記回転軸の回転速度が、予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、前記排気口から前記軸受本体内の気体を排出させ、前記回転軸の回転速度が前記基準回転速度以上である場合には、前記排気口からの前記軸受本体内の気体の排出を停止させるか、または排出量を低減させることを特徴とする。
【００２７】
このガス軸受の動作制御方法では、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、軸受本体の上部に設けられた排気口から回転軸の上方より空気を排出させることで、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧を大きくする。これにより、回転軸を持ち上げる力を大きくして、軸受本体が回転軸から受ける面圧を低減することができる。
一方、回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合には、前記気体の排出を停止させるか、または排出量を低減させることで、軸受本体内で、回転軸の上部とそれ以外の領域との間で生じる差圧を小さくする。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面に接触してしまうことが防止される。
【００２８】
本発明にかかるガス軸受の動作制御方法は、軸受本体と該軸受本体に挿通される回転軸との間に気体層を形成することで、前記軸受本体と前記回転軸との間に生じる摩擦抵抗を低減した状態で回転軸の支持を行うガス軸受の動作制御方法であって、前記ガス軸受として、前記軸受本体の内面の上部が、該軸受本体内の気体を上部から外部に排出する排出口を有しかつ上下方向に移動可能な昇降部材によって構成され、該昇降部材を昇降させる昇降装置が設けられたガス軸受を用いて、前記回転軸の回転速度が、予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、前記昇降装置を操作して前記昇降部材を下降させて前記回転軸に近接させ、前記回転軸の回転速度が前記基準回転速度以上である場合には、前記昇降装置を操作して前記昇降部材を上昇させて前記回転軸から離間させることを特徴とする。
【００２９】
このガス軸受の動作制御方法では、回転軸の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合には、昇降装置を動作させて、昇降部材を下降させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が小さくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が大きくなって、軸受本体に加わる面圧が低減される。
一方、回転軸の回転速度が基準回転速度以上である場合には、制御装置は、昇降装置を動作させて、昇降部材を上昇させる。すると、昇降部材と回転軸との間に形成される空間が大きくなるので、軸受本体内で、昇降部材の近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が小さくなる。これにより、回転軸を持ち上げる力が小さくなって、回転軸が持ち上げられすぎて軸受本体の上部内面（昇降部材下面）に接触してしまうことを防止することができる。
【００３０】
ここで、上記の本発明にかかる軸受装置、圧縮機、及びガス軸受の動作制御方法において、基準回転速度とは、回転軸の周囲に、回転軸の支持に十分なだけの気体層が形成されているであろう回転速度範囲の下限値であって、この値は、実験やシミュレーション等によって求められる。
また、回転軸の回転速度の指標としては、例えば、角速度や回転数などが用いられる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明にかかるガス軸受によれば、軸受本体内に圧力差が生じて、回転軸を持ち上げる力が発生するために、軸受本体が回転軸から受ける面圧が少なくなる。
これにより、このガス軸受では、回転軸が静止している状態から回転し始める際や回転軸が低速で回転している場合にも、軸受本体に損傷が生じにくく、回転軸の支持を良好に行うことができる。これにより、軸受径を必要最小限にすることができる。
【００３２】
また、本発明にかかる軸受装置によれば、回転軸の回転速度に応じて、回転軸を持ち上げる力を制御することができるので、回転軸の支持を良好に行うことができる。
【００３３】
また、本発明にかかる圧縮機によれば、ガス軸受として従来のガス軸受よりも小型のガス軸受を採用することができるので、圧縮機を小型化することができる。
また、本発明にかかる圧縮機によれば、回転軸の回転速度に応じて、回転軸を持ち上げる力を制御することができるので、回転軸の支持を良好に行うことができる。
【００３４】
また、本発明にかかるガス軸受の動作制御方法によれば、回転軸の回転速度に応じて、回転軸を持ち上げる力を制御することができるので、回転軸の支持を良好に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図３を用いて説明する。
本実施形態に示す圧縮機１は、図１に示すように、ケーシング２と、ケーシング２内に設けられて図示せぬ駆動装置によって回転駆動される回転軸３と、回転軸３に対して同軸にしてかつ相対回転を規制して設けられる羽根車４とを有する遠心圧縮機である。
この圧縮機１は、駆動装置によって回転軸３を回転駆動して、羽根車４を回転させることで、ケーシング２に設けられた吸入部６から圧縮対象のガスを取り入れるとともに、このガスを圧縮して、ケーシング２に設けられた吐出部７から吐出するものである。
【００３６】
回転軸３は、本発明にかかるガス軸受１１を介して、軸線回りの回転を許容した状態にして支持されている。
このように回転軸３のラジアル方向を支持するガス軸受１１は、図２に示すように、回転軸３が挿通される軸受本体１２を有している。
この軸受本体１２の上部には、軸受本体１２内の作動ガスを外部に排出する排出口１３が設けられている。排出口１３は、軸受本体１２の内面のうち、上半分の領域に開口していれば、その開口位置は任意である。本実施の形態では、排出口１３は、軸受本体１２の内面のうち、頂点部分に開口させている。
また、この軸受本体１２と回転軸３との間には、図示せぬ作動ガス供給源から作動ガスが供給されている。
【００３７】
このように構成される圧縮機１では、回転軸３は、ガス軸受１１による流体潤滑によって軸線回りの回転を許容されている。
以下、ガス軸受１１による回転軸３の支持の詳細について説明する。
【００３８】
軸受本体１２内には、作動ガス供給源から、作動ガスが高圧で供給されている。一方、軸受本体１２において回転軸３の上方位置には、排出口１３が設けられており、軸受本体１２内に供給された作動ガスは、排出口１３を通じて、軸受本体１２外に排出される。
これにより、軸受本体１２内の、回転軸３の上方の領域Ｓｕと下方の領域Ｓｄとの間（排出口１３の近傍とそれ以外の領域との間）で圧力差が生じ、この圧力差によって回転軸３が吸い上げられる（または押し上げられる）。
【００３９】
言い換えれば、図３に示すように、回転軸３には、軸受本体１２内に供給される作動ガスの圧力を受けることによって生じる力のうち、回転軸３を下方に向けて押し下げる力Ｆｄが、回転軸３を上方に向けて押し上げる力Ｆｕに対して、相対的に小さくなる。これにより、回転軸３は、力Ｆｕから力Ｆｄを差し引いた分の力Ｆで、上方に向けて押し上げられる。
【００４０】
このガス軸受１１では、このように回転軸３を持ち上げる力Ｆが発生するために、軸受本体１２が回転軸３から受ける面圧が少なくなる。
これにより、このガス軸受１１では、回転軸３が静止している状態から回転し始める際や回転軸３が低速で回転している場合にも、軸受本体１２に損傷が生じにくく、回転軸３の支持を良好に行うことができる。このため、このガス軸受１１は、ガス軸受でありながらも、軸受径を必要最小限にすることができる。
【００４１】
そして、本実施形態にかかる圧縮機１では、回転軸３をこのように小型のガス軸受１１によって支持しているので、圧縮機１を小型化することができる。
【００４２】
以下に、このガス軸受１１によって得られる効果について、図３を用いて具体的に説明する。
ガス軸受１１に作動ガスを供給した際に回転軸３に加わる押し上げ力Ｆｕ〔Ｎ〕は、次式（１）で表される。
Ｆｕ＝Ｐｓ×ＤＬ                                            （１）
なお、式（１）中において、Ｐｓはガス軸受１１への作動ガスの供給圧〔Ｐａ〕、Ｄは軸受本体１２の内径〔ｍ〕、Ｌは軸受本体１２の有効軸受長〔ｍ〕である。
【００４３】
一方、回転軸３に加わる押し下げ力Ｆｄ〔Ｎ〕は、Ｓｕ部圧力が排気口１３の効果で低減され、Ｆｕのα倍に低減されたと仮定すると、次式（２）で表される。
Ｆｄ＝αＦｕ＝α×Ｐｓ×ＤＬ                                （２）
すなわち、Ｓｕ部とＳｄ部との間の差圧によって生じる正味の押し上げ力Ｆ〔Ｎ〕は、次式（３）で表される。
Ｆ＝Ｆｕ−Ｆｄ＝（１−α）×Ｐｓ×ＤＬ                      （３）
【００４４】
従って、本実施形態にかかるガス軸受１１の構成を採用することによって低減できる軸受面圧ΔＰは、次式（４）で表される。
ΔＰ＝Ｆ／ＤＬ＝（１−α）×Ｐｓ                            （４）
【００４５】
ここで、式（４）において、Ｐｓを１００ｋＰａ（ゲージ圧）、α＝０．７と仮定すると、ΔＰ＝３０ｋＰａとなる。
このことから、従来構成のガス軸受（以下「従来例」とする）の設計面圧を３０ｋＰａとすると、このガス軸受に本実施形態に示す構成を適用したガス軸受（以下「実施例」とする）場合には、上記の面圧低減作用により、実質的に６０ｋＰａまで設計面圧をあげることができることになる。
【００４６】
また、このことは、実施例は、その実質的な設計面圧を従来例と同一とした場合には、従来例よりも小型化が可能であるということも意味している。
ガス軸受において、軸受本体が受ける面圧Ｐ〔Ｐａ〕は、次式（５）で表される。
Ｐ＝Ｗ／ＤＬ                                                （５）
従来例の軸受本体の内径をＤ１〔ｍ〕、軸受本体の有効軸受長をＬ１〔ｍ〕とし、実施例の軸受本体の内径をＤ２〔ｍ〕、軸受本体の有効軸受長をＬ２〔ｍ〕とすると、これらの設計面圧をそれぞれ３０ｋＰａとした場合、従来例の軸受本体が受ける面圧Ｐ１〔Ｐａ〕、実施例の軸受本体が受ける面圧Ｐ２〔Ｐａ〕は、次式（６）で表される。
Ｐ１＝Ｗ／Ｄ１Ｌ１＝３０〔ｋＰａ〕、Ｐ２＝Ｗ／Ｄ２Ｌ２＝６０〔ｋＰａ〕  （６）
Ｗ＝３０Ｄ１Ｌ１＝６０Ｄ２Ｌ２
従って、Ｄ２Ｌ２＝０．５Ｄ１Ｌ１
ここで、ガス軸受において、軸受本体の内径Ｄ〔ｍ〕と有効軸長Ｌ〔ｍ〕との比率は一定値βに設定されている。すなわち、ガス軸受では、ＤＬ＝βＤ２の関係が成り立っている。
この関係を式（６）に適用すると、次式（７）が得られる。
βＤ２２＝０．５βＤ１２                                          （７）
これを整理して、次式（８）を得る。
Ｄ２２＝０．５Ｄ１２                                            （８）
式（８）を解くと、Ｄ２＝０．７Ｄ１となる。
すなわち、実施例では、従来例と実質的な設計面圧が同一である場合には、従来例に比べて軸受径を７０％にまで低減することができる。
【００４７】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施形態に示す圧縮機は、回転軸３を支持する軸受として、ガス軸受２１を用いたものである。以下、第一実施形態に示した圧縮機１と同様または同一の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
このガス軸受２１は、第一実施形態で示したガス軸受１１の軸受本体１２の構成を変更したものである。
具体的には、ガス軸受２１で用いる軸受本体２１は、軸受本体１２において、その内面の排出口１３の近傍を、他の領域に比べて径方向内側に突出する突出部２２ａとした軸受本体２２を有するものである。
【００４８】
このように構成されるガス軸受２１は、軸受本体２２の内面のうち、排出口１３近傍が突出部２２ａとされていて、他の領域に比べて回転軸３との間の距離が狭められているので、軸受本体２２内で、他の領域と突出部２２ａとの境界では、作動ガスの流れが絞られる。
このため、軸受本体２２内の、突出部２２ａ近傍の領域と他の領域との間（すなわち、回転軸３の上方の領域Ｓｕと下方の領域Ｓｄとの間）に、確実に差圧を生じさせることができる。
また、この構成によって、回転軸３の上方の領域Ｓｕと下方の領域Ｓｄとの間に生じる差圧がより大きくなり、回転軸３を持ち上げる力がより大きくなる。
これにより、軸受本体２２に加わる面圧を確実かつ効果的に低減して、軸受径を最小限にしながら、回転軸３の支持を良好に行うことができる。
【００４９】
そして、本実施形態にかかる圧縮機では、回転軸３をこのように小型で高性能なガス軸受２１によって支持しているので、圧縮機を小型化することができる。
【００５０】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態に示す圧縮機は、第一実施形態で示した圧縮機１において、回転軸３を、軸受装置３１を用いて支持する構成としたことを主たる特徴とするものである。
以下、第一実施形態に示した圧縮機１と同様または同一の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
【００５１】
軸受装置３１は、第一実施形態で示したガス軸受１１を用いて回転軸３の支持を行うものである。また、ガス軸受１１の排気口１３には、直接、または配管を介して、排気口１３を通じた作動ガスの流通量の制御を行う弁３２が設けられている。
さらに、軸受装置３１は、回転軸３の回転速度を検出する回転速度検出装置３３と、回転速度検出装置３３によって検出された回転軸３の回転速度に基づいて、弁３２の開閉動作を制御する制御装置３４とを有している。
【００５２】
このように構成される軸受装置３１では、弁３２の開閉を制御することで、排気口１３を通じた作動ガスの流通を制御して、軸受本体１２内で、回転軸３の上方の領域と下方の領域との間（排出口１３の近傍とそれ以外の領域との間）で生じる圧力差を調節することができる。
【００５３】
具体的には、弁３２を開いて排気口１３を流通する作動ガスの流通量を確保することで、回転軸３の上方の領域の内圧を低減することができる。すなわち、回転軸３の上方の領域と下方の領域との間の差圧を大きくして、回転軸３を持ち上げる力を大きくすることができる。
また、弁３２を閉じて排気口１３を流通する作動ガスの流通量を低減、または流通を遮断することで、回転軸３の上方の領域の内圧低下を抑制することができる。すなわち、回転軸３の上方の領域と下方の領域との間の差圧を小さくするかまたはなくして、回転軸３を持ち上げる力を小さくするかまたはなくすことができる。
【００５４】
また、この軸受装置３１では、弁３２の開閉は、制御装置３４によって制御されている。制御装置３４は、回転速度検出装置３３によって検出された回転軸３の回転速度の情報に基づいて、弁３２の開閉を制御するものである。ここで、回転軸３の回転速度の指標としては、例えば、角速度や回転数などが用いられる。
【００５５】
具体的には、回転軸３の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合（すなわち、回転軸３の周囲に作動ガスが十分に回り込んでいない場合）には、制御装置３４は、弁３２を開放して、回転軸を持ち上げる力を生じさせ、軸受本体１２が回転軸３から受ける面圧を低減する。
一方、回転軸３の回転速度が基準回転速度以上である場合（すなわち、回転軸３の周囲に作動ガスが十分に回り込んでいる場合）には、制御装置３４は、弁３２を閉じて排気口１３からの作動ガスの排出を停止させるか、または排出量を低減させて、回転軸３を持ち上げる力を小さくして、回転軸３が持ち上げられすぎて軸受本体１２の上部内面に接触してしまうことを防止することができる。
すなわち、本実施形態にかかる圧縮機では、回転軸３の回転数に応じて、回転軸３の支持状態を調整して、常に最適な支持を行うことができる。
【００５６】
ここで、基準回転速度とは、回転軸３の周囲に、回転軸３の支持に十分なだけの作動ガス層が形成されているであろう回転速度範囲の下限値であって、この値は、実験やシミュレーション等によって求められる。
【００５７】
また、弁３２は、開状態と閉状態のどちらか一方の状態のみ取りうる構成であってもよく、開度を連続的または段階的に調整可能な構成としてもよい。
弁３２を、その開度を連続的または段階的に調整可能な構成とした場合には、弁３２の開度を調整することで、排気口１３における作動ガスの流通量を適宜調整して、回転軸３を持ち上げる力を最適な大きさにすることができる。
【００５８】
ここで、本実施の形態では、軸受装置３１を、第一実施形態で示したガス軸受１１によって回転軸３を支持する構成とした例を示したが、これに限られることなく、例えば第二実施形態で示したガス軸受２１によって回転軸３を支持する構成としてもよい。
【００５９】
［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態に示す圧縮機は、第一実施形態で示した圧縮機１において、回転軸３を、軸受装置４１を用いて支持する構成としたことを主たる特徴とするものである。
以下、第一実施形態に示した圧縮機１と同様または同一の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
【００６０】
軸受装置４１は、ガス軸受４２を用いて回転軸３の支持を行うものである。
ガス軸受４２は、第一実施形態で示したガス軸受１１において、軸受本体１２の代わりに、内面の上部が、排出口１３を有しかつ上下方向に移動可能な昇降部材４３によって構成された軸受本体４４を用いたものである。また、軸受本体４４には、昇降部材４３を昇降させる昇降装置４５が設けられている。
【００６１】
軸受本体４４には、上部内面に開口する凹部４４ａが設けられている。また、この凹部４４ａの上方には、チャンバー４４ｂが設けられている。
昇降部材４３は、軸受本体４４において凹部４４ａ内からチャンバー４４ｂを通じて軸受本体４４の上面まで挿通されたものであって、軸受本体４４に対しては、上下方向に摺動可能にして設けられている。
昇降部材４３は、下面が軸受本体４４の上部内面を構成する下部４３ａと、下部４３ａの上方で側方に張り出す張出部４３ｂとを有している。また、昇降部材４３には、下端面から上端まで通じる排気口１３が設けられている。
昇降部材４３は、下部４３ａを凹部４４ａ内に位置させ、張出部４３ｂをチャンバー４４ｂ内に位置させた状態にして、軸受本体４４に挿通されている。ここで、張出部４３ｂは、チャンバー４４ｂ内を上側空間Ｓ１と下側空間Ｓ２とに仕切る仕切りを兼ねている。
ここで、下側空間Ｓ２内には、軸受本体４４と昇降部材４３との間の隙間を通じて、軸受本体４４内の作動ガスがわずかずつ供給されるようになっていて、その内圧は大気圧以上に確保されている。
【００６２】
昇降装置４５は、下側空間Ｓ２内に設けられて昇降部材４３の張出部４３ｂを上方に向けて付勢するコイルスプリング４６と、下側空間Ｓ２内と軸受本体４４外とを接続する管路４７と、該管路４７を通じた作動ガスの流通量を制御する弁４８とを有している。
さらに、昇降装置４５は、回転軸３の回転速度を検出する回転速度検出装置４９と、回転速度検出装置４９によって検出された回転軸３の回転速度に基づいて、弁４８の開閉動作を制御する制御装置５０とを有している。
【００６３】
このように構成される軸受装置４１では、ガス軸受４２の軸受本体４４に設けられた昇降部材４３を昇降させることで、回転軸３の支持状態の調整が行われる。
【００６４】
以下に、昇降部材４３の昇降動作について説明する。
軸受本体４４のチャンバー４４ｂにおいて、昇降部材４３の張出部４３ｂの下方に位置する空間Ｓ２には、前記のように軸受本体４４内から作動ガスがわずかずつ供給されている。
この空間Ｓ２は、管路４７を通じて軸受本体４４外に連通されており、弁４８を開放することで、空間Ｓ２内の作動ガスが軸受本体４４外に放出されるようになっている。
すなわち、弁４８を開放することによって空間Ｓ２の内圧が低下し、空間Ｓ１と空間Ｓ２との間に圧力差が生じる。
この圧力差(空間Ｓ１の圧力−空間Ｓ２の圧力）は、昇降部材４３の張出部４３ｂを下方に押圧するように作用する。そして、この圧力差によって張出部４３ｂに加わった押圧力が、張出部４３ｂを上方に向けて付勢するコイルスプリング４６の付勢力に打ち勝つことで、張出部４３ｂが下方に移動することとなって、昇降部材４３が下降する。
【００６５】
このように昇降部材４３が下方に移動すると、コイルスプリング４６の弾性変形量が大きくなるため、コイルスプリング４６の付勢力が大きくなる。そして、昇降部材４３は、空間Ｓ１、Ｓ２間の内圧の差によって生じた力がコイルスプリング４６の付勢力と拮抗する位置で停止する。
【００６６】
一方、弁４８を閉じることで、この空間Ｓ２には、軸受本体４４内に供給された作動ガスがわずかずつ流れ込み、その内圧が再び上昇する。すなわち、弁４８を閉じることによって空間Ｓ２の内圧が再び上昇し、空間Ｓ１と空間Ｓ２との間の圧力差が小さくなってゆく。すると、コイルスプリング４６の付勢力によって、張出部４３ｂが上方に向けて移動することとなって、昇降部材４３が上昇する。
すなわち、空間Ｓ１、Ｓ２間の内圧の差によって生じた力がコイルスプリング４６の付勢力よりも小さくなることで、昇降部材４３が上方に移動する。
【００６７】
このように昇降部材４３が上方に移動すると、コイルスプリング４６が元の長さに近付くので、コイルスプリング４６の付勢力が小さくなる。そして、昇降部材４３は、空間Ｓ１、Ｓ２間の内圧の差によって生じた力がコイルスプリング４６の付勢力と拮抗する位置で停止する。
【００６８】
このように、この軸受装置４１では、弁４８の開閉を制御することで、昇降部材４３の昇降が行われる。
そして、このようにして昇降部材４３を下降させて、昇降部材４３の下部４３ａと回転軸３との距離が狭まると、昇降部材４３と回転軸３との間に形成される空間が小さくなるので、軸受本体４４内の、下部４３ａの近傍部分とそれ以外の領域との境界で、作動ガスの流れが絞られる。すなわち、軸受本体４４内で、下部４３ａの近傍部分とそれ以外の領域との間で生じる差圧が大きくなり、回転軸３を持ち上げる力が大きくなる。
【００６９】
一方、昇降部材４３を上昇させて、回転軸３から離間させることで、昇降部材４３の下部４３ａと回転軸３との間に形成される空間が大きくなるので、軸受本体４４内の、下部４３ａの近傍部分とそれ以外の領域との境界で、作動ガスの流れが絞られなくなるか、または絞り量が小さくなる。すなわち、軸受本体４４内で、下部４３ａの近傍とそれ以外の領域との間で生じる差圧が小さくなり、回転軸３を持ち上げる力が小さくなる。
【００７０】
ここで、この軸受装置４１では、弁４８の開閉は、制御装置５０によって制御されている。制御装置５０は、回転速度検出装置４９によって検出された回転軸３の回転速度の情報に基づいて、弁４８の開閉を制御するものである。ここで、回転軸３の回転速度の指標としては、例えば、角速度や回転数などが用いられる。
【００７１】
具体的には、回転軸３の回転速度が予め定めた基準回転速度よりも低い場合（すなわち、回転軸３の周囲に作動ガスが十分に回り込んでいない場合）には、制御装置５０は、弁４８を開放して、昇降部材４３を下降させて回転軸３を持ち上げる力を生じさせ、軸受本体４４が回転軸３から受ける面圧を低減する。
一方、回転軸３の回転速度が基準回転速度以上である場合（すなわち、回転軸３の周囲に作動ガスが十分に回り込んでいる場合）には、制御装置５０は、弁４８を閉じて昇降部材４３を上昇させて回転軸３を持ち上げる力を小さくして、回転軸３が持ち上げられすぎて軸受本体４４の上部内面に接触してしまうことを防止する。
すなわち、本実施形態にかかる圧縮機では、回転軸３の回転数に応じて、回転軸３の支持状態を調整して、常に最適な支持を行うことができる。
【００７２】
ここで、基準回転速度とは、回転軸３の周囲に、回転軸３の支持に十分なだけの作動ガス層が形成されているであろう回転速度範囲の下限値であって、この値は、実験やシミュレーション等によって求められる。
【００７３】
また、弁４８は、開状態と閉状態のどちらか一方の状態のみ取りうる構成であってもよく、開度を連続的または段階的に調整可能な構成としてもよい。
弁４８を、その開度を連続的または段階的に調整可能な構成とした場合には、弁４８の開度を調整することで、昇降部材４３の上下方向位置（すなわち昇降部材４３の下部４３ａと回転軸３との間に形成される空間の大きさ）を適宜調整して、回転軸３を持ち上げる力を最適な大きさにすることができる。
【００７４】
ここで、本実施の形態にかかる軸受装置４１において、第三の実施の形態に示すように、弁３２、回転速度検出装置、３３、及び制御装置３４を設けて、排出口１３からの作動ガスの排出を制御可能な構成としてもよい。
この場合には、昇降部材４３の昇降による回転軸３の支持状態の調整に加えて、さらに、排出口１３からの作動ガスの排出量の制御による回転軸３の支持状態の調整を行うことができ、回転軸３の支持状態の制御を、より適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる圧縮機及び軸受装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる軸受装置及びガス軸受の構成を示す軸直交断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかるガス軸受の作用を示す軸直交断面図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかる軸受装置及びガス軸受の構成を示す軸直交断面図である。
【図５】本発明の第三実施形態にかかる圧縮機で用いられる軸受装置の構成を示す軸直交断面図である。
【図６】本発明の第四実施形態にかかる圧縮機で用いられる軸受装置の構成を示す軸直交断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  圧縮機
２  ケーシング
３  回転軸
４  羽根車
１１，２１，４２  ガス軸受
１２，２２，４４  軸受本体
１３  排出口
２２ａ  突出部
３１，４１  軸受装置
３２  弁
３３，４９  回転速度検出装置
３４，５０  制御装置
４３  昇降部材
４５  昇降装置
【図１】
2005121036.tif 000003
【図２】
2005121036.tif 000004
【図３】
2005121036.tif 000005
【図４】
2005121036.tif 000006
【図５】
2005121036.tif 000007
【図６】
2005121036.tif 000008